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(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

引言

混凝土材料脆性大、韌性低的缺點(diǎn)導(dǎo)致其在工程應(yīng)用中受到了極大的限制，碳纖維、鋼纖維、玻璃纖維等纖維混凝土的出現(xiàn)在一定程度上改善了這一情況。然而這些纖維由于自身延性較低，極限拉應(yīng)變只能達(dá)到0.02%～0.03%[1]，因此其對(duì)水泥基復(fù)合材料韌性的提高有限，構(gòu)件在彎曲和拉伸荷載作用下仍會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象[2]。近20年來(lái)，以微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)制備而成的聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，簡(jiǎn)稱PVA)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，以其超高的拉伸應(yīng)變能力得到了廣泛關(guān)注。纖維摻量為體積分?jǐn)?shù)2%[3]時(shí)，即可達(dá)到3%～7%[4]的極限拉伸應(yīng)變。但是，由于PVA纖維價(jià)格昂貴，使得PVA纖維混凝土價(jià)格約為傳統(tǒng)纖維混凝土的4倍[5]，極大地限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，汽車工業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了橡膠產(chǎn)量的逐年提升，也間接地造成了廢舊橡膠的大量堆積。廢舊橡膠的傳統(tǒng)處理方法成本高、污染大且利用率低，因此合理地處理廢舊橡膠并進(jìn)行有效的回收利用，已成為我國(guó)乃至全世界亟待解決的問(wèn)題[6-8]。

膠粉是由廢舊橡膠經(jīng)處理改性制備而成，其主要成分為無(wú)機(jī)填料和橡膠，因而具有橡膠所具備的強(qiáng)度、彈性和耐磨性等物理性能，但由于膠粉表面的憎水性，不能直接應(yīng)用，因而多將其改性后利用于橡膠、瀝青、塑料中[9-11]。在土木工程材料中，膠粉則主要應(yīng)用于瀝青混合料中用于鋪筑路面，關(guān)于這方面的研究應(yīng)用美國(guó)、日本、加拿大等國(guó)家已有成功案例[12-13]。

20世紀(jì)90年代，對(duì)膠粉應(yīng)用于砂漿及混凝土材料中已有了廣泛的研究，包括強(qiáng)度[14]、韌性[15]、沖擊性[14]、收縮性[16]等。結(jié)果表明，在砂漿或混凝土中摻加一定量的改性膠粉后，砂漿或混凝土的強(qiáng)度和剛度下降，但韌性提高，收縮減小。然而以上研究均是將膠粉以粗細(xì)骨料的形式加入到水泥基復(fù)合材料基體中，要起到一定的增韌作用則需較高的膠粉摻量，但較高的膠粉摻量又容易造成水泥基復(fù)合材料流動(dòng)性差等問(wèn)題[7]。本文研究了在PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的基體中，以改性的可再分散性乳膠粉部分替代PVA纖維，以期在力學(xué)性能不降低甚至有所提高的情況下能夠有效地利用廢舊橡膠制品，大幅度降低因使用PVA纖維造成的高成本，促進(jìn)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)基體材料：采用常州固邦復(fù)合材料科技有限公司生產(chǎn)的超高韌性水泥基復(fù)合材料干粉砂漿(Ultra-High Toughness Cementitious Composites，簡(jiǎn)稱UHTCC)(如圖1所示)，由普通硅酸鹽水泥、精細(xì)砂、粉煤灰及礦物摻合料組成，比表面積為326 m2/kg，其化學(xué)組成見(jiàn)表1。

圖1 UHTCC干粉

表1 UHTCC干粉的化學(xué)組成 %

(2)增強(qiáng)纖維：采用聚乙烯醇(PVA)纖維(如圖2所示)，纖維長(zhǎng)12 mm，直徑40 μm，拉伸強(qiáng)度1 600 MPa，彈性模量40 GPa，適宜體積摻量為1.5%～2.0%。

圖2 PVA纖維

(3)膠粉：由天津某化工公司提供的可再分散乳膠粉(如圖3所示)，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖3 膠粉

外觀固含量/%灰分/%堆積密度/(kg/m3)保護(hù)膠體>400 μm粒徑/%pH值白色粉末,可自由流動(dòng)≥98.010±2300～500聚乙烯醇≤46～8

1.2 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證在UHTCC基體中可再分散膠粉替代部分PVA纖維的作用效果，并找到合適的替代比例，分別以0.5%，1.0%，1.5%，2.0%體積摻量的膠粉替代0.1%體積摻量的PVA纖維，并以未摻加膠粉的UHTCC試件作為對(duì)比試件，具體配合比見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)配合比及流動(dòng)度

按不同替代比例的配比各成型40 mm×40 mm×160 mm試件3塊，在制備過(guò)程中通過(guò)調(diào)整減水劑的用量，以使各組混合料拌合物獲得相近的流動(dòng)度。將成型好的試件置于標(biāo)準(zhǔn)濕氣養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，放入水中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4為不同替代比例的膠粉對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)以體積分?jǐn)?shù)0.5%的膠粉替代0.1%的PVA纖維時(shí)，試件抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，比未摻膠粉的試件提高了24.3%。隨著膠粉摻量的增加，抗折強(qiáng)度有所下降，但均高于未摻膠粉的試件。其原因在于橡膠粉具有的強(qiáng)度和微彈性，使得其在水泥基體中能夠承擔(dān)一部分應(yīng)力并限制和延緩微裂縫向宏觀裂縫發(fā)展[17]，因而能夠提高構(gòu)件抵抗變形的能力，提高極限破壞強(qiáng)度。

圖4 膠粉摻量對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響

圖5為不同替代比例的膠粉對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響。由圖5可以看出，當(dāng)以體積分?jǐn)?shù)1%的膠粉替代0.1%的PVA纖維時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，比未摻膠粉試件的抗壓強(qiáng)度提高了40.4%。當(dāng)摻量繼續(xù)提高至1.5%和2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低較小，仍保持著較高的強(qiáng)度增大系數(shù)。在Eldin N N等[14]和Topcu I B[18]的研究中曾將膠粉以骨料的形式摻進(jìn)混凝土中，但由于膠粉自身強(qiáng)度及剛度低于砂石骨料，導(dǎo)致試件抗壓強(qiáng)度大幅度降低。而將膠粉作為纖維替代物加入砂漿中，砂漿抗壓強(qiáng)度明顯提高則在于膠粉具有強(qiáng)度且顆粒細(xì)小，在一定程度上填充了砂漿基體內(nèi)部的孔隙以及攪拌過(guò)程中因PVA纖維存在而引進(jìn)的氣孔，提高了基體密實(shí)度，進(jìn)而提高了試件的抗壓強(qiáng)度[17]。圖6所示分別為未改性和經(jīng)改性的膠粉加入砂漿基體的SEM圖，由圖6可見(jiàn)，使用未改性膠粉的砂漿結(jié)構(gòu)疏松，而經(jīng)改性的膠粉加入砂漿基體中與周圍介質(zhì)粘結(jié)良好，起到了填充空隙的作用，使?jié){體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)[19]。

圖5 膠粉摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 膠粉-水泥漿體SEM圖[19]

圖7為不同替代比例的膠粉對(duì)試件折壓比的影響。由圖7可以看出，隨著膠粉替代PVA纖維比例的增加，折壓比呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，即試件的韌性降低。其原因可能是隨著膠粉摻量的增加膠粉發(fā)揮的作用更多地在于填充作用，使基體更加密實(shí)、強(qiáng)度增大，而較高強(qiáng)度的基體導(dǎo)致PVA纖維在發(fā)揮作用時(shí)的纖維拔出作用減弱，多數(shù)纖維被拉斷，造成試件韌性降低[20]。但當(dāng)膠粉替代比例為0.5%時(shí)，可獲得與未摻加膠粉的對(duì)比試樣相同的折壓比(即韌性相當(dāng))，且在該替代比例下，試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高了24.3%和24.4%?？梢?jiàn)，當(dāng)膠粉摻量為0.5%時(shí)，既提高了抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，又保證了試件的韌性不降低。因此，可以在0.5%的膠粉摻量替代0.1%的PVA纖維配比的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和制備工藝調(diào)整，以使試件在韌性不降低甚至有所提高的基礎(chǔ)上，提高強(qiáng)度和降低PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料成本，有效利用橡膠廢棄物。

圖7 膠粉摻量對(duì)折壓比的影響

3 結(jié)論

3.1 由抗折試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加膠粉能夠提高基體的彈性，同時(shí)膠粉可起到限制微裂縫發(fā)展的作用，進(jìn)而提高了試件的抗折強(qiáng)度。

3.2 由抗壓試驗(yàn)結(jié)果可知，膠粉的加入填充了水泥基復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙，提高了基體的密實(shí)度，進(jìn)而提高了試件的抗壓強(qiáng)度。

3.3 當(dāng)以0.5%的膠粉替代PVA纖維時(shí)，能夠提高抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，并且折壓比不降低。由于減少了PVA纖維的摻量，使得纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的成本降低，并有效利用了橡膠廢棄物。

3.4 本次研究只進(jìn)行了纖維摻量0.1%被膠粉替代時(shí)對(duì)水泥基復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。在后續(xù)研究中，還將進(jìn)行0.2%，0.3%等體積分?jǐn)?shù)的纖維以膠粉替代的試驗(yàn)研究，進(jìn)而找到更加合適的替代比例。

3.5 在力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)膠粉替代纖維后試件的收縮性、凍融性、侵蝕性等耐久性能進(jìn)行研究，從而使膠粉對(duì)水泥基復(fù)合材料性能影響的研究更加系統(tǒng)化。

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